电动汽车电池仓内温度场数值模拟

2014-07-25李阳王晓彤陈俊俊

电源技术 2014年10期

关键词：工作温度温度场锂离子

李阳，王晓彤，陈俊俊

（内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014010）

电动汽车电池仓内温度场数值模拟

李阳，王晓彤，陈俊俊

（内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014010）

利用FLUENT软件建立相应的数学模型，对不同尺寸的电动汽车电池仓内温度场进行模拟计算，得到了电池仓的最佳尺寸。在此条件下改变电池仓的送风温度，对比电池的温度场变化，获得了最佳送风温度，为电动汽车用锂离子电池仓的温度优化提供理论依据。

电动汽车；数值模拟；电池包；温度场

电动汽车电池作为电动汽车的动力源，需要进行合理的管理，以保证电动汽车的正常运行。电池管理系统主要是针对电池工作温度的管理，因为影响电池寿命的主要因素是电池工作温度，电池工作温度过高会出现热失控，严重时还会引起电池爆炸起火，影响电动汽车的安全性[1]。因此必须对电池进行合理的冷却散热，以保证电池的工作温度在所要求的范围内且单体电池有相同的温度分布。

一般情况下锂离子电池的正常工作温度范围为－20～60℃[2]，最佳温度为30℃。本文利用数值模拟软件建立相应的数学模型，对不同尺寸的电动汽车电池仓内温度场进行模拟计算，得到了电池仓的最佳尺寸；在此条件下改变电池的送风温度，并观察电池的温度场变化，确定最佳送风温度，为电动汽车用锂离子电池的温度优化提供理论依据。

1 电池仓模型

1.1 几何模型

本文采用的电动汽车电池包由5个模块组成，共有3672个18650型锂离子电池，由于热气流浮升作用，进风口设置在右下侧，出风口设置在左上侧，电池模块之间有连接设备、线路和次要元件，所占的空间是45mm，为方便电池装卸和气流动，电池仓左右面与电池模块之间取一定间距，模型如图1所示。

图1 电池仓的几何模型

通过文献[3]确定送风方式为并行通风。由于电动汽车本身空间的限制，首先需要对电动汽车电池仓结构进行优化，因为电池模块和电池仓的间距对电池仓的结构影响最大，故取其为变量，改变的取值模拟其温度场，观察其温度场变化。

1.2 假设条件

（1）假设电池仓周围的温度均匀；

（2）电池仓完全封闭；

（3）在电池系统中的一些次要元器件如保险、开关、电池管理系统从控盒、导线等，它们体积小，且发热量很小，对整个流场和热场的影响很小，所以忽略不计；

（4）组成电池的各种材料介质均匀，密度一致，同一材料的热容为同一数值，同一材料在同一方向各处的热导率相等；组成电池材料的比热容和热导率不受温度和的变化影响[4]为电池的荷电状态，即电池的当前容量与额定容量的百分比）；

（5）电池充放电时，电池内核区域各处电流密度均匀，生热率一致。

1.3 边界条件

（1）给定入口流速；

（2）出口压力为标准大气压；

（3）近壁面采用标准壁面函数，固体壁面采用无滑移边界。

1.4 数学控制方程

（1）锂离子电池热模型

（2）锂离子电池内部生热的确定

（3）锂离子电池表面的对流换热系数

2 电池仓的结构优化

电池仓采用自然通风的方式，电动汽车电池包的散热量随着车速的增大而增加，且电动汽车多数在市区运行，市区最高限速80 km/h。为保证电池包的散热要求，在送风速度80 km/h、送风温度38℃时对电池包的温度场进行模拟。电池模块和电池仓的间距对电池仓的结构影响最大，在为5、10、15、20、25、30mm时观察其温度场的变化，如图2所示。

图2 不同间距下电池包的温度云图

由于电池包的送风口在右下侧，所以电池包热量主要集中在模块1、2、3处。如图2（a）所示，当间距为5mm时，热量主要集中在第二个电池模块处，温度分布不均匀，温差较大，随着间距的增大，气流在电池仓内的流动逐渐顺畅，电池包的温度场逐渐均匀，冷却效果提高。由图2（d）可知，到=20mm时电池仓内的温度趋于均匀，随着的进一步增大，温度场变化不再显著。考虑到随着的增大，送风速度和占用空间逐渐增大，并且消耗材料增多，但冷却效果变换不明显，可以确定电池包和电池仓间距是20mm时最佳。

3 电池仓的送风温度确定

不同送风温度下电池包的温度云图如图3所示。

图3 不同送风温度下电池包的温度云图

模拟结果如图4所示。结果显示，电池包的平均温度随着电池仓送风温度的升高而升高，当送风温度为28℃，则对应的电池仓的平均温度为30.42℃，不能够满足电池在最佳温度下工作；当送风温度是27.5℃时，电池仓的平均温度是29.95℃，能够满足电池最佳工作温度为30℃的要求，所以当电动汽车在夏季市区工况下运行时，电池仓的最佳送风温度应该为27.5℃。

图4 不同送风温度下电池包的平均温度折线图

4 结论

（1）此模型的电池仓在电动汽车模块和电池仓间距是20mm时温度场分布均匀且节省材质；

（2）电动汽车在夏季市区运行时，应该保证送风温度在27.5℃，此时能够保证电池模块在最佳状态下运行。

[1]王泽平.电动轿车总体设计与性能仿真研究[D].合肥：合肥工业大学，2007：1-82.

[2]杨志刚，黄慎，赵兰萍.电动汽车锂离子电池组散热优化设计[J].计算机辅助工程，2011，20(3)：1-6.

[3]黄文华，韩晓东，陈全世，等.电动汽车SOC估计算法与电池管理系统的研究[J].汽车工程，2007，29(3)：199-202.

[4]裴晟，陈全世，林成涛.基于支持向量回归的电池SOC估计方法研究[J].电源技术，2007(3)：242-245.

[5]商勇，康其越，王丽娟.动力电池空间布局散热优化[J].机械研究与应用，2011(6)：60-63.

Numerical simulation of temperature field in battery pack

LI Yang,WANG Xiao-tong,CHEN Jun-jun

Using FLUENT software,a correspondingmathematicalmodel was established.The temperature field in the different sizes of electric vehicle battery compartment was simulated.The optimum size of the battery compartment was got.Under this condition,the blast temperature of the battery was changed.The best supply air temperature was got.A theoretical basis for electric vehicles using lithium-ion battery compartment temperature optimization was provided.

electric vehicles;numerical simulation;battery pack;temperature field

TM 912

1002-087 X(2014)10-1807-02